文献阅读【研究生数学建模竞赛B题】：On Application of PHY Layer Abstraction Techniques for System Level Simulation and

物理层抽象技术在IEEE 802.11ac/ax系统级仿真与自适应调制中的应用

罗杰·皮埃尔·法布里斯·霍费尔，奥斯卡·贝哈拉诺

摘要：为在系统级仿真中抽象物理层（PHY）性能，需估算有效信干噪比（ESINR）。本文研究了接收比特信息率（RBIR）技术在IEEE 802.11ac/ax系统中的应用，以实现该估算目标。基于IEEE 802.11ac物理层在典型平坦衰落、空间相关频率选择性单用户及多用户多输入多输出（MIMO）信道下的仿真结果，对RBIR技术进行了评估。研究结论表明，RBIR物理层抽象方法精度足够，能够以较低的计算复杂度为系统级性能和设计方案提供一阶参考信息。最后，本文还阐述了如何应用RBIR物理层抽象方案来动态调度调制编码方案（MCS），以实现目标服务质量（QoS）。

关键词：802.11ac、802.11ax、多输入多输出（MIMO）、正交频分复用（OFDM）、接收比特信息率（RBIR）、调制编码方案、调度

一、引言

2013年发布的IEEE 802.11ac修订版[1]的核心目标是提升2009年IEEE 802.11n修订版[2]的物理层吞吐量（即链路级吞吐量）——在基于IEEE 802.11ac标准的无线局域网（WLAN）中，理论最大吞吐量从600Mbps提升至6.77Gbps。从技术实现来看，IEEE 802.11ac WLAN物理层速率的提升主要通过以下方式实现：支持20/40/80/80+80/160MHz带宽（BW）；采用正交频分复用（OFDM）单用户多输入多输出（SU-MIMO）技术，最多支持8层传输；采用正交幅度调制（QAM）方案，星座点数范围为2至256[3]。此外，下行多用户MIMO（DL MU-MIMO）的可选实现方案，在接入点（AP）部署的天线数量多于站点（STA）天线数量的场景下（如企业级WLAN中，大量智能手机、平板电脑等小尺寸设备接入的常见场景[4]），可进一步提升系统吞吐量。

6GHz以下“黄金频段”频谱资源稀缺，同时设备数量与业务流量需求呈爆发式增长，这些因素在资本支出/运营支出（CAPEX/OPEX）受限的背景下，推动了大量相关研发（R&D）活动以应对挑战。第三代合作伙伴计划（3GPP）提出的一项中期解决方案是制定长期演进授权辅助接入（LTE-LLA）标准，该标准可在非授权5GHz频段运行，实现业务分流[5]。典型的LTE-LLA配置方案为：在授权频段（如1.8GHz）部署主载波，用于控制面和数据面传输；在非授权频段（如5GHz）部署辅载波，用于数据分流。

在WLAN领域，802.11ax任务组（TG）于2014年3月成立[6]，旨在制定新的IEEE 802.11修订版，以应对以下挑战：（1）密集网络中业务流量与设备数量呈指数级增长；（2）与LTE-LLA技术的竞争；（3）电信运营商对业务分流的需求；（4）设备厂商需在企业级和消费电子市场领域提供更优的用户体验；（5）芯片厂商在IEEE 802.11ac修订版之后，需开拓新的WiFi市场。IEEE 802.11ax 1.0草案预计于2016年获批，最终标准则预计在2019年发布。在802.11ax任务组文档中，IEEE 802.11ax也被称为高效无线局域网（HEW）。

与早期IEEE 802.11标准聚焦于室内网络的单链路吞吐量不同，IEEE 802.11ax修订版旨在提升部署于室内外密集网络的每区域吞吐量效率，同时重点关注功耗问题。候选技术清单（非详尽）包括：下行与上行多用户MIMO（MU-MIMO）、正交频分多址（OFDMA）、大规模MIMO、MIMO预编码、长循环前缀（CP）、部分频率复用、全双工等。此外，由于运行于不同管理域的WLAN具有分布式特性，媒体访问控制（MAC）协议很可能基于载波侦听多路访问（CSMA）算法实现。然而，随着设备数量急剧增加，以及消费者和企业对服务质量（QoS）的迫切需求，如何引入调度机制成为802.11ax任务组的重点研究课题。

跨层技术在MAC与PHY协议设计中的应用，推动802.11ax任务组定义了一套统一的物理层抽象技术，用于评估该任务组所考虑的不同标准提案的性能[7]。在第二节中，本文将阐述所做研究对IEEE 802.11ax任务组近期研发活动的贡献——这些活动主要围绕质量度量（QM）模型展开，旨在实现计算复杂度可控的系统级仿真（SLS）。本文其余部分结构如下：第三节详细介绍接收比特信息率（RBIR）技术，该技术可用于计算有效信干噪比（ESINR），进而在无需对每个信道实现进行大量物理层仿真的情况下估算分组错误率（PER）；第四节通过仿真结果验证RBIR物理层抽象技术在IEEE 802.11ac/ax WLAN实际运行场景下的有效性；第五节提出将物理层抽象技术应用于无线资源控制（RRC）的方案，即利用RBIR度量实时调度调制编码方案（MCS），以满足目标服务质量；第六节给出研究结论。

需特别说明的是，IEEE 802.11ax物理层标准在本文研究阶段尚未确定。因此，本文采用与802.11ax任务组一致的方法，即仿真结果基于IEEE 802.11ac修订版[7]。此外，物理层抽象技术的分析对下一代IEEE 802.11ac芯片组也具有重要意义——WiFi半导体行业正通过研发活动提升IEEE 802.11ac第二代产品的性能（如下行MU-MIMO技术、80MHz和160MHz带宽支持），以实现约3.5Gbps的最大物理层吞吐量。

二、相关工作与主要贡献

物理层抽象技术在系统级仿真（SLS）中的应用研究，最初始于宽带蜂窝网络标准化阶段，主要在3GPP[8]、3GPP2[9]和IEEE 802.16工作组（WG）[10]中开展。在LTE系统级仿真中应用物理层抽象技术的相关研究，可参考巴西研究界[11]和国际研究界[12]的成果。

IEEE 802.11任务组在物理层抽象方法定义方面的研究[13-14]，与3GPP和IEEE 802.16工作组[8-10]的相关活动同步进行。然而，直到IEEE 802.11ax标准化工作启动[7]，WiFi半导体厂商才开始高度关注这一课题——其原因在于，技术范式已从链路级设计转向PHY与MAC协议的跨层优化，而这种优化需要高效的设计工具，以评估超密集网络部署场景下的系统性能[4]。802.11ax任务组已研究了多种物理层抽象技术，例如指数映射法、基于比特交织编码调制（BICM）的互信息法、每比特互信息法以及RBIR技术[14]。其中，基于互信息（MI）将OFDM MIMO检测器输出端的信干噪比（SINR）映射为有效信干噪比（ESINR）标量度量的技术[15]，已被802.11ax任务组选定为IEEE 802.11ax标准化过程中评估PHY与MAC协议的物理层抽象算法[16]。

目前，关于该课题的公开研究主要局限于802.11ax任务组会议文献。文献[17]是少数几篇经同行评审、研究WLAN中物理层抽象技术应用的论文，但该论文仅基于IEEE 802.11n修订版给出仿真结果，且假设采用2×2 SU-MIMO空间复用技术，并在接收端（RX）配备理想信道状态信息（CSI）。

本文研究了RBIR技术在IEEE 802.11ax系统ESINR映射中的应用，与802.11ax任务组文档中未充分分析的场景相比，本文考虑了更贴近实际的同步和信道估计方案，具体包括：SU-MIMO空间流（SS）数量的影响、采用块对角化（BD）预编码的DL MU-MIMO在空间相关频率选择性TGn SU-MIMO和TGac MU-MIMO信道模型下的性能。

图1展示了采用20MHz、40MHz或80MHz带宽传输多用户（MU）数据字段物理层协议数据单元（PPDU）的简化框图[1]。需注意的是，在IEEE 802.11ac物理层中，多用户数据在空间映射模块（即预编码方案）之前需独立处理。关于IEEE 802.11ac物理层的详细描述可参考文献[3]，其主要工作特性的简要说明可参考文献[18]。

图1 数据字段MU PPDU的发送端框图[1]
（缩略词说明：BCC为二进制卷积码；LDPC为低密度奇偶校验码；STBC为空时块编码；CSD为循环移位分集；IDFT为离散傅里叶逆变换；GI为保护间隔；RF为射频）

本文所用IEEE 802.11ac仿真器的主要特性如表I所示，其有效性验证过程详见文献[19]。

表I IEEE 802.11ac仿真器的基本参数[19]

参数	取值	参数	取值
载波频率	5.25GHz	调制编码方案（MCS）	0-9
带宽	20MHz、40MHz、80MHz	空间流数量	1-8
保护间隔（GI）长度	800ns	同步方式	自相关
调制方式	BPSK、QPSK、16-QAM、64-QAM、256-QAM	MIMO信道估计	最小二乘法（LS）
二进制卷积码（BCC）	码率：r=1/2、r=2/3、r=3/4、r=5/6	信道解码器	硬判决与软判决维特比解码

文献[20]中，我们提出了三种适用于IEEE 802.11n设备的信道估计方案：最小二乘法（LS）、时延截断法（TDT）和模型基方法（MB）。基于信道估计均方误差（MSE）和MAC协议数据单元（MPDU）分组错误率（PER）的理论分析与仿真结果，我们得出结论：在低信噪比（SNR）场景下，TDT方案性能更优；而在中高信噪比场景下，LS信道估计方案性能显著优于另外两种方案。因此，结合文献[20]的结果及LS方案计算复杂度低的特点，本文选择LS信道估计方案。但需指出，设计可最大化吞吐量的信道估计方案仍是WiFi领域的开放性研究课题。

最后需再次强调，本文所示结果均基于实际的LS信道估计方案[2, 第98页]，并在空间相关频率选择性TGn/ac MIMO信道模型下考虑了时间与频率同步。这是本文与802.11ax任务组会议公开技术报告及演示文稿[7, 13-14]的主要区别之一——后者通常假设理想同步和理想信道状态信息（CSI）。

三、RBIR在IEEE 802.11ac/ax中的应用

3.1 有效信干噪比（ESINR）

OFDM MIMO系统的性能取决于MIMO检测器输出端测量的信干噪比（SINR）统计特性（即处理后SINR）。质量度量（QM）技术可在较低复杂度下评估OFDM MIMO系统性能，其核心思想是将所有空间流（SS）的所有数据子载波（SC）的处理后SINR集合{ SINRₙ,ₖ | n=1,⋯,Nₛₛ, k=1,⋯,Nₛc }映射为一个有效信干噪比（ESINR）。通过该ESINR，可在OFDM MIMO加性高斯白噪声（AWGN）信道下估算分组错误率（PER），且该PER与在确定ESINR的块衰落信道实现中通过完整物理层仿真得到的PER等效[15]。

OFDM MIMO系统的有效信干噪比映射（ESM）通用定义如下[7]：
$$SIN{R}_{eff}=\alpha {\Phi }^{-1}\left(\frac{1}{N_{ss}}\frac{1}{N_{sc}}\sum _{n=1}^{N_{ss}}\sum _{k=1}^{N_{sc}}\Phi \left(\frac{SIN{R}_{n,k}}{\beta }\right)\right)(1)$$
其中，SINRₙ,ₖ表示第n个空间流（SS）第k个子载波（SC）在MIMO检测器输出端的信干噪比；Φ(·)为ESM函数；α和β为调整因子，需通过数值计算确定，以最小化完整物理层仿真得到的PER与物理层抽象技术估算得到的PER之间的均方误差（MSE）。本文中，假设α=β=1。因此，由于未进行进一步优化，本文仅评估RBIR物理层抽象技术在IEEE 802.11ac/ax WLAN中应用的下限性能。需注意的是，802.11ax任务组会议的部分研究成果也采用了相同方法[14]。关于调整因子对RBIR物理层抽象方法精度影响的仿真研究，可参考文献[7, 21]。

物理层抽象技术估算PER的原理如图2所示。其目标是以较低计算复杂度确定每个传输MPDU的PER。具体实现步骤为：首先，将MIMO检测器输出端估算得到的SINR集合{ SINRₙ,ₖ | n=1,⋯,Nₛₛ, k=1,⋯,Nₛc }构成的向量，通过公式（1）映射为标量ESINR；然后，利用在AWGN MIMO信道下通过完整物理层仿真得到的参考曲线，将ESINR转换为PER。评估系统级仿真（SLS）物理层抽象算法的关键指标，是链路级仿真（LLS）得到的PER₁与物理层抽象技术估算得到的PER₂之间的一致性。

图2 物理层抽象概念框图[22]

对于星座点数为M的M进制调制，接收比特信息率（RBIR）度量采用的ESM函数定义如下[15]：
$$\Phi (\gamma )=E_{XY}$$